[发明专利]功能梯度材料形状及该形状的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造无材料缺陷的不锈钢/氧化铝功能梯度材料形状的方法，尤其是采用等离子放电烧结技术(SPS)的方法。通过在不锈钢中稳定加入氧化铝陶瓷，可以提高热性质、耐磨性，并且向该合金引入电绝缘性。

背景技术

功能梯度材料(FGM)是一种材料设计理念，提供了一种释放残余热应力并将两种完全不同材料的互不相容的性质结合起来的方法，如通过在纯耐火陶瓷层和纯金属层之间放置这两种材料的梯度复合夹层将耐火陶瓷的耐热性、耐磨性和抗氧化性与金属的高韧性、高强度和机械加工性结合在一起。

通常，具有梯度区域的金属/陶瓷FGM体系由多个复合层构成，存在随着成分变化而渐变的微观结构。基体从金属逐渐替代为金属，并且微观结构特征的变化顺序为：(i)纯金属、(ii)金属富集区(陶瓷颗粒分散在金属基体中)、(iii)交缠复合物(体积分数相当的金属与陶瓷相交错分布)、(iv)陶瓷富集区(金属基体逐渐消失变为分散在陶瓷相中的离散相或颗粒，最终转变成(v)纯陶瓷相。这种沿所述FGM的组分-微观结构-性质的梯度是决定材料稳定性及性能的关键。

在所述FGM中，随着基体从延展性金属相渐变成脆性陶瓷相，断裂性能也会从韧性断裂转变成脆性断裂。在对一种具有线性成分特征的FGM进行冷却时，由于热膨胀不匹配，常常导致热应力产生，所述热应力为平面内径向应力(平行于界面)与沿厚度方向的轴向应力(垂直于界面)。若α_陶瓷＜α_金属(其中α指的是热膨胀系数)则所述平面内应力的状态在基底的金属中是拉伸的，在顶端的陶瓷复合物中是压缩的。相反地，金属区中的轴向应力是压缩的，而陶瓷侧中的轴向应力是拉伸的。金属富集区和交缠区中的材料基于塑性形变机制可以承受残余热应力。但是，陶瓷在拉伸作用下是脆弱的，因此，陶瓷富集区将成为至关重要的部分，当残余拉伸应力超出其弯区强度时，基体中将会形成微裂纹。

FGM内残余热应力的大小由冷却过程中在微观结构水平(基体-颗粒之间)和宏观结构水平(相邻层间的界面)上产生的热应变的程度决定，如下面的基本方程式中所示：

σ＝E ΔαΔT                    (1)

公式中，σ为残余热应力(MPa)，E为杨氏模量(MPa)，Δα为热膨胀不匹配度(/℃)，ΔT为烧结温度与室温的差(℃)。

根据公式1，减小残余热应力σ的最好方法是，使热膨胀不匹配度(Δα)和烧结温度最小化，同时，提高基体尤其是产生最大热应力的复合区域的机械韧性。

FGM可通过不同的技术制备，如：传统的粉末冶金法、气相沉积法和烧结法。等离子放电烧结法(SPS)，也被称为例如电磁辅助烧结工艺(FAST)，是一种在大机械压力下进行非常快速加热的高强度烧结技术。这种工艺(下称SPS)已经证实是非常适于制造功能梯度材料的。不希望受缚于理论，通常相信高速烧结提高了颗粒之间的粘结性和致密性，同时限制了材料中发生不希望的反应的可能性。此方法的优点还包括：不需要在粉体中使用粘合剂，以及控制了压实过程中材料的收缩。另外，与传统的压实工艺相比，能够快速改变温度和压力的特点使得更易于调控材料的微观结构和优化烧结条件。

专利US7393559B2中公开了采用FAST/SPS方法制造一种FGM网状体的技术，在这种技术中包含的两种不同材料可以是一种金属或金属合金与一种陶瓷如氧化物、氮化物或碳化物，或另一种金属或金属合金的组合。

316型不锈钢材(SUS316)是一种奥氏体的铬镍钼不锈钢。SUS316L是一种类似的合金，但具有另外的低碳含量。这些合金由于具有良好的高温强度和高耐腐蚀性能，因而都是很重要的工程合金。氧化铝陶瓷(Al₂O₃)拥有高硬度和优异的耐热、耐腐蚀性。因此，将SUS316L和Al₂O₃的结构组分或形状结合起来用于耐热及耐磨领域的技术引起了研究者极大的兴趣。